Turbina eólica con convertidores paralelos que utiliza una pluralidad de devanados de generador aislados.

Un sistema de potencia (10) para proporcionar una potencia de salida a una carga (21),

comprendiendo el sistema: un generador (14) configurado para generar una potencia de entrada de corriente alterna a un sistema de convertidores de potencia (20);

un sistema de convertidores de potencia (20) acoplado al generador (14) y conectados entre sí para generar una potencia de salida y proporcionar la potencia de salida a la carga (21), en el que el sistema de convertidores de potencia (20) incluye una pluralidad de hilos de convertidor paralelos (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n), incluyendo cada hilo de convertidor (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n), un puente (30) convertidor de generador para la conversión de CA - CC conectado a un puente (40) de convertidor de carga para la conversión de CC - CA a través de un enlace de CC (35);

un sistema de control del convertidor (24) acoplado al sistema de convertidores de potencia (20) y configurado para excitar el sistema de convertidores de potencia (20) para reducir los componentes armónicos en la potencia de salida o en la potencia de entrada de corriente alterna, y

un medio de aislamiento (305) para la potencia de entrada al sistema de convertidores de potencia del generador (14), adaptado para impedir la circulación de corriente en modo común entre los hilos de convertidor paralelos (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n) por conmutación de los semiconductores de potencia en los respectivos hilos de convertidor paralelos (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n) para provocar una diferencia de tensión entre los hilos de convertidor paralelos (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n), incluyendo el citado medio de aislamiento para la potencia de entrada una pluralidad de conjuntos de devanados de potencia aislados (310, 315, 320, 325) en el generador (14), en el que cada conjunto de la pluralidad de conjuntos de devanados de potencia aislados en el generador interconecta con un hilo de convertidor paralelo correspondiente de la pluralidad de hilos paralelos de convertidor (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n), y en el que el conjunto de devanados de potencia aislados en el generador (14) comprende un devanado de potencia trifásico (305) y cada uno de la pluralidad de hilos paralelos de convertidor (20 - 1, 20 - 2, 20 - 3, 20 - n) comprende una entrada de potencia trifásica (340, 345, 350, 355).

Turbina eólica con convertidores paralelos que utiliza una pluralidad de devanados de generador aislados La invención se refiere en general a generadores de turbinas eólicas y más específicamente, a un procedimiento para interconectar los convertidores de potencia en paralelo de los generadores de turbinas eólicas, para eliminar una corriente en modo común, que circula entre los convertidores de potencia paralelos.

En general, las turbinas eólicas utilizan el viento para generar electricidad. El viento hace girar las múltiples palas conectadas a un rotor. El giro de las palas producido por el viento hace girar un eje del rotor, que está conectado a un generador que genera electricidad. Específicamente, el rotor está montado dentro de un alojamiento o góndola, que se encuentra situado en la parte superior de una torre de vigas de celosía o tubulares, que puede ser de una altura tal como aproximadamente 100 metros. Las turbinas eólicas de calidad de red eléctrica (por ejemplo, las turbinas eólicas diseñadas para proporcionar energía eléctrica a una red de suministro eléctrico) puede tener rotores grandes (por ejemplo, de 30 o más metros de diámetro) . Las palas de estos rotores transforman la energía eólica en un par de rotación o fuerza que acciona a uno o más generadores, acoplados rotacionalmente al rotor por medio de una caja de engranajes. La caja de engranajes puede ser utilizada para intensificar la velocidad de rotación inherentemente baja del rotor de la turbina para que el generador convierta eficientemente la energía mecánica en energía eléctrica, que se proporciona a una red de suministro eléctrico. Algunas turbinas utilizan generadores que están acoplados directamente al rotor sin necesidad de utilizar una caja de engranajes. Varios tipos de generadores se pueden utilizar en estas turbinas eólicas.

Muchos dispositivos, tales como las turbinas eólicas, incluyen sistemas convertidores de potencia. Un sistema convertidor de potencia se utiliza típicamente para convertir una tensión de entrada, que puede ser de una corriente alterna de frecuencia fija, una corriente alterna de frecuencia variable o una corriente continua, a un nivel de frecuencia y de tensión de salida deseado. Un sistema convertidor por lo general incluye varios conmutadores semiconductores de potencia, tales como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) , tiristores conmutados por puerta integrada (IGCT o GCT) , o transistores semiconductores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET) que se conmutan a ciertas frecuencias para generar la tensión y la frecuencia de salida del convertidor deseada. La tensión de salida del convertidor a continuación se proporciona a diversas cargas. Las cargas, como se usa en la presente memoria descriptiva, pretenden incluir en líneas generales, por ejemplo, motores, redes eléctricas de potencia, y cargas resistivas.

La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de potencia típico que está acoplado a una turbina eólica con generador síncrono de campo devanado o imán permanente e implementado de acuerdo con un aspecto de la invención. El sistema de potencia 10 está adaptado para proporcionar una potencia de salida 21a la red. Una turbina eólica 12 está configurada para convertir la potencia eólica en potencia mecánica. La turbina eólica se acopla a través de una caja de engranajes 19 a un generador 14 o, alternativamente se acopla directamente al generador 14. La potencia eólica es capturada por la rotación de las palas de la turbina eólica, y el generador 14 está configurado por un sistema convertidor de potencia 20 controlado por el sistema de control de convertidor 24 para generar una potencia de entrada de frecuencia variable. La potencia se transforma a la tensión apropiada por uno o más transformadores 22 y se suministra a la red eléctrica 21.

Para acomodar la necesidad de una mayor potencia de los parques eólicos, cada vez más los generadores de turbinas eólicas individuales están provistos de una capacidad de potencia de salida mayor. Para acomodar la potencia de salida mayor de los generadores de turbinas eólicas, algunos sistemas de turbina eólica se proporcionan con múltiples convertidores paralelos (también conocidos como hilos de convertidor) . Múltiples convertidores en paralelo también pueden proporcionar una ventaja en los convertidores eólicos debido a la exigencia de una alta disponibilidad y de una baja distorsión Típicamente, loa sistemas de conversión de potencia utilizan múltiples puentes convertidores de potencia en paralelo con el control de activación de puertas para expandir la capacidad de manejo de potencia. En las aplicaciones de turbinas eólicas, un puente convertidor de potencia por lo general se refiere a un circuito convertidor de corriente trifásica con seis conmutadores de potencia. Con el fin de satisfacer los requisitos de calidad de potencia, tanto del lado de la red como del lado de la máquina, tales sistemas generalmente utilizan filtros muy grandes y costosos para alisar las formas de onda moduladas de anchura de impulso. Estos sistemas a veces, provocan un sobrecalentamiento del generador y / o de los transformadores y de otros equipos sensibles a las distorsiones debido a los altos componentes armónicos, cuando se minimizan los filtros grandes y costosos.

La figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de potencia típico que emplea múltiples convertidores paralelos. El sistema de potencia 10 está configurado para suministrar potencia a una carga 21. Una fuente generadora 14 está configurada para generar una potencia de entrada de CA. La potencia de entrada de CA se proporciona al sistema convertidor de potencia 20. El sistema convertidor de potencia 20 comprende convertidores 20 - 1 a 20 - N. Los convertidores están acoplados en paralelo y configurados para recibir la potencia de entrada de CA de la fuente generadora 14. El sistema de convertidores de potencia 20 está configurado para convertir la potencia de entrada de CA a una potencia de salida de CA. La potencia de salida de CA se proporciona a la carga 21. Las cargas pueden incluir motores, redes eléctricas, y cargas resistivas, por ejemplo. Aunque las redes son tradicionalmente suministradores de potencia, en la mayoría de las realizaciones de sistemas de turbinas eólicas, la potencia eólica de la turbina se suministra a una red de suministro eléctrico, que actúa como una carga.

La pluralidad de múltiples convertidores paralelos 20 - 1 a 20 - N, cada uno de los cuales (también llamados hilos) tiene una fracción de la clasificación del sistema de red. Estos hilos de convertidor estén unidos entre sí tanto en los terminales de entrada como en los de salida, para formar una clasificación de corriente / potencia de la red tanto en la entrada como en la salida, que está directamente relacionada con el número de hilos de convertidor paralelos. Típicamente, un lado del convertidor está conectado a una fuente de potencia común (por ejemplo, la red) y el otro, a una planta (por ejemplo un generador) . El circuito que conecta el convertidor a la red eléctrica normalmente está referenciado a tierra. Por razones de coste y tamaño, cada hilo se conecta a un punto común en la red y a la planta con conductores que están dimensionados de acuerdo con la clasificación de cada hilo y no con la clasificación del sistema.

El sistema de control 24 del convertidor está configurado para proporcionar señales de control para el funcionamiento del sistema de convertidores de potencia 20. El sistema de control del convertidor está acoplado al sistema de convertidores y está configurada para accionar el sistema de convertidores de acuerdo con los patrones de conmutación predesignados. Los patrones de conmutación predesignados proporcionados por el sistema de control del convertidor pueden proporcionar la activación de puertas síncrona de los múltiples convertidores paralelos o puede proporcionar una forma intercalada de control para cada hilo de convertidor de señales de puertas desplazadas en fase para reducir los componentes armónicos generales de conmutación debido a la cancelación de las formas de onda de conmutación desplazadas en fase.

La figura 3 es un diagrama de bloques de un hilo típico de un sistema de convertidores de potencia. Realización de turbinas eólicas, por ejemplo, típicamente comprenden los sistemas de convertidores de potencia trifásicos. El convertidor 20 - 1 representa un hilo del sistema de convertidores de potencia 20. El convertidor 20 - 1 incluye un puente 30 de convertidor de generador para la conversión de CA - CC, un enlace de CC 35 , y un puente convertidor de carga 40 para la conversión de... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de potencia (10) para proporcionar una potencia de salida a una carga (21) , comprendiendo el sistema:

un generador (14) configurado para generar una potencia de entrada de corriente alterna a un sistema de convertidores de potencia (20) ;

un sistema de convertidores de potencia (20) acoplado al generador (14) y conectados entre sí para generar una potencia de salida y proporcionar la potencia de salida a la carga (21) , en el que el sistema de convertidores de potencia (20) incluye una pluralidad de hilos de convertidor paralelos (20 - 1.

20. 2.

20. 3, 20

- n) , incluyendo cada hilo de convertidor (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) , un puente (30) convertidor de generador para la conversión de CA - CC conectado a un puente (40) de convertidor de carga para la conversión de CC - CA a través de un enlace de CC (35) ;

un sistema de control del convertidor (24) acoplado al sistema de convertidores de potencia (20) y configurado para excitar el sistema de convertidores de potencia (20) para reducir los componentes armónicos en la potencia de salida o en la potencia de entrada de corriente alterna, y un medio de aislamiento (305) para la potencia de entrada al sistema de convertidores de potencia del generador (14) , adaptado para impedir la circulación de corriente en modo común entre los hilos de convertidor paralelos (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) por conmutación de los semiconductores de potencia en los respectivos hilos de convertidor paralelos (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) para provocar una diferencia de tensión entre los hilos de convertidor paralelos (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) , incluyendo el citado medio de aislamiento para la potencia de entrada una pluralidad de conjuntos de devanados de potencia aislados (310, 315, 320, 325) en el generador (14) , en el que cada conjunto de la pluralidad de conjuntos de devanados de potencia aislados en el generador interconecta con un hilo de convertidor paralelo correspondiente de la pluralidad de hilos paralelos de convertidor (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) , y en el que el conjunto de devanados de potencia aislados en el generador (14) comprende un devanado de potencia trifásico (305) y cada uno de la pluralidad de hilos paralelos de convertidor (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) comprende una entrada de potencia trifásica (340, 345, 350, 355) .

2. El sistema de potencia (10) de la reivindicación 1, en el que el devanado de potencia trifásica (305) comprende:

devanados de salida de potencia (310, 315, 320, 325) del generador conectados en Y

3. El sistema de potencia (10) de la reivindicación 1, en el que el devanado de potencia trifásica (305) comprende:

devanados de salida DE potencia (410, 415, 420, 425) del generador conectados en triángulo.

4. El sistema de potencia (10) de la reivindicación 1, en el que el devanado de potencia trifásica (305) comprende:

devanados de salida de potencia del generador conectados en estrella.

5. El sistema de potencia (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el generador comprende:

un generador de turbina eólica (14) .

6. El sistema de potencia (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que la carga comprende:

una red de potencia eléctrica (21) .

7. El sistema de potencia (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el sistema de control del convertidor

(24) excita los hilos paralelos (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) del convertidor del sistema de convertidores de potencia (20, ) de acuerdo con un esquema de control intercalado.

8. El sistema de potencia (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el sistema de control del convertidor

(24) excita los hilos paralelos de convertidor (20 - 1.

20. 2.

20. 3.

20. n) del sistema de convertidores de potencia

(20) de acuerdo con un esquema de control no intercalado.